[디지털데일리 배태용 기자] "삼성전기는 10년 전부터 임베딩(Embedding) 기술을 개발하고 적용해 왔으며, 현재는 다른 국내 업체들보다 독보적인 위치에 있습니다. 이 기술은 공정 난이도가 높고, 비용이 많이 들기 때문에 수율과 공정 관리가 매우 중요합니다. 삼성전기는 이러한 문제들을 해결하고, 고품질의 제품을 생산하고 있습니다." (심규현 삼성전기 패키지 세종 제조기술팀 팀장)

지난 2일 <디지털데일리>는 세종시 명학산업단지에 있는 삼성전기 사업장에 방문, 전장용 반도체에 들어가는 반도체 패키지기판의 생산 과정을 직접 목격했다. 미세 가공, 미세 회로 구현 기술 바탕으로 고성능 반도체 패키지판에 대한 삼성전기의 기술력을 몸소 느낄 수 있었다.

1991년 PC용 다층인쇄회로기판(MLB) 생산을 시작으로 기판사업의 첫걸음마를 뗀 세종사업장(당시 조치원)은 1997년 반도체 패키지기판 생산을 처음 시작했다. 이후 인텔과 AMD의 고성능 CPU용 패키지기판 공급을 시작, 생산 능력을 점진적으로 확대하면서 과거 일본 업체들이 독점하던 반도체 패키지기판 시장을 마감 지었다. 국내 반도체 산업을 기술적으로 한 단계 끌어올린 산실이 된 것.

세종사업장은 삼성전기 국내 사업장 중 유일하게 반도체 패키지기판 단일 제품을 생산하고 있는 기지다. 스마트폰과 태블릿PC 등의 모바일 AP, 메모리 반도체, 5G 안테나와 같은 통신 모듈 및 전장용 반도체에 들어가는 패키지기판을 생산 중이다. 특히 세종사업장에서 생산하는 반도체 패키지기판 중 플래그십 '모바일 AP용 기판'은 현재 글로벌 1위를 차지하고 있다.

패키지기판은 반도체와 메인 기판 간 전기적 신호를 전달하고, 반도체를 외부의 충격 등으로부터 보호해 주는 역할을 해주는 부품이다. 인체에 비유하자면 '반도체 칩'은 '뇌'고 뇌에서 전달하는 정보를 각 기관에 연결해 전달하는 '신경'과 '혈관'이 '패키지기판'이라고 이해하면 된다.

우리 몸에 있는 뇌에도 미세하고 정교한 신경이 쏠려 있는 만큼, 반도체 칩 역시 컴퓨터에 있어서건 가장 복잡하다. 컴퓨터, 스마트폰, 서버 등 반도체 칩이 내재 돼 있는 기기들을 다른 부품들과 연결하기 위해선 메인 기판이 서로 연결돼야 하는데, 메인 기판의 회로를 반도체보다 미세하게 만들기는 사실상 불가능하다. 반도체 칩의 단자 사이 간격은 100㎛(마이크로미터)로 A4 두께 수준인 것에 비해, 메인 기판의 단자 사이 간격은 약 350㎛로 4배 정도 차이가 나기 때문이다. 따라서 반도체 칩과 메인 기판 사이를 연결해 주는 다리 역할이 필요한데 이 역할을 패키지기판이 해준다고 이해하면 된다.

패키지기판의 성능을 높이기 위해선 회로 미세화와 적층화가 필요하다. 회로 미세화는 한정된 기판 면적 안에 많은 회로를 만들어야 하므로 회로 선폭과 간격을 줄이는 것이다. 적층화는 한 면으로는 부족한 회로를 여러 층으로 만들어야 하므로 각 층간에 구멍을 뚫어 전기적으로 연결하는 것이다. 이러한 공정들은 매우 정교하고 민감하게 이뤄져야 하며 진입 장벽이 매우 높다.

이러한 가운데 최근 들어 산업 환경이 크게 바뀌었다. 과거에는 반도체를 설계⋅생산할 수 있는 제조사가 일부 업체로 제한됐던 것에 반해 최근에는 빅테크 기업들도 핵심 반도체를 직접 설계하고 칩 생산까지 나서면서, 패키지판 수요는 더욱 증가하는 추세다.

회로 미세화와 적층화, 패키지기판의 핵심 기술

세종사업장에선 패키지판 생산 공정 전반을 눈으로 확인 수 있었다. 반도체 패키지기판 제작 공정은 회로 배선을 구현하는 전공정과 표면처리를 하는 후공정으로 나눌 수 있다. 전공정 작업은 1⋅2공장에서, 후공정 작업은 4공장에서 이뤄지고 있다. 전공정의 대표 공정으로는 회로 형성, 도금 공정이 있으며, 후공정은 적층, SR 공정이 있다.

1공장에서는 이뤄지는 회로 형성 공정은 반도체 칩의 설계도를 기판에 그려주는 과정이라고 할 수 있다. 기판 위에 감광성 고분자 물질인 포토레지스트를 얇게 바른 다음, 원하는 패턴의 마스크를 올려놓고 빛을 가해 회로를 형성한다.

이때 사용하는 빛은 하얀색이 아니라 특정한 파장의 빛이다. 이 때문에 평소에는 빛이 들어오지 않도록 문을 닫아놓는데, 이는 포토레지스트가 다른 색상의 빛에도 반응하기 때문이다.

필름 도포가 끝나면, 노광식 클린룸으로 이동된다. 여기서는 감광석 필름을 회로 디자인으로 광반응을 시켜 필요로 하는 회로 형상을 형성한다. 과거에는 글라스 서제 마이크로라는 방식으로 회로를 만들었지만, 현재는 레이저를 이용한 방식으로 더욱 정교하게 회로를 만들 수 있다. 노광이 끝나면, 구리도금과 에칭이라는 과정을 거쳐 필요한 패턴만 남기고 나머지 부분은 제거한다. 이렇게 만들어진 회로는 진한 파란색으로 보인다.

2공장에서는 도금 공정이 이뤄진다. 도금 공정은 적층된 층과 층 사이를 연결하기 위해 드릴로 구멍(Via)을 내고 표면에 도금을 해 각 층간 전기적 신호를 주고받을 수 있도록 연결하는 공정이다. 이러한 공정들은 매우 정교하고 민감하게 이뤄져야 한다. 예를 들어, 각 층들을 연결해주는 구멍인 비아는 일반적으로 80㎛(마이크로미터) 크기의 면적 안에 50㎛의 구멍을 오차 없이 정확히 뚫어야 하는데, 이는 A4용지 두께의 1/10 수준인 10㎛ 수준이라고 한다.

임베딩 적층 공정, 삼성전기만이 가진 국내 유일의 기술

4공장에서는 적층 공정과 SR(Solder Resist) 공정이 이뤄진다. 적층 공정은 회로 형성이 완료된 내층 기판과 절연층을 겹쳐 쌓아 여러 층의 기판을 만드는 공정이다. 이때, 일반적인 적층 공정은 형성된 회로 위에 절연층만 쌓는 것이고, 임베딩 적층 공정은 형성된 회로에 칩을 함께 절연층과 쌓는 것이다. 임베딩 적층 공정은 기판 내부에 수동부품을 내장시키는 기술로, 전력 손실을 줄이고 고속 신호 전달에 유리하다.

적층 공정의 과정은 먼저, 제품 표면에 부착된 이물을 제거하고, 절연재와 밀착력을 확보하기 위해 표면에 조도를 형성해야 한다. 그다음, 기판에 칩을 고정할 수 있는 테이프를 부착하고, 테이프 부착된 기판 반대 면에 칩을 부착한다. 그리고, 절연재를 기판 위에 쌓아 녹여 칩을 고정한 다음 마지막으로, 테이프를 제거하고 제거 면에 절연재를 적층해 경화시키면 완성된다. 현재 임베딩 적층 공정은 국내 기판 업체 중에선 삼성전기만이 유일하게 보유하고 있다.

적층을 마쳤다면, 마지막 단계인 SR 공정이 남았다. SR공정은 회로 형성 후 기판에 형성된 회로의 손상 및 성능 저하 방지를 위해 절연물질로을 도포하는 것을 말한다.

구체적으로 에칭액을 통해 화학적 방법으로 표면에 조도를 형성한다. 이후 지그(가공위치 보정을 해주는 보조용 기구)를 사용, 오염물로부터 방어하며 액상 잉크를 도포한다. 이때 잉크를 뿌리고 건조하는 방법이나, 필름 타입 잉크로 열과 압력을 전달해 도포하는 방법을 선택할 수 있다. 보통은 고객사의 요청에 따라 결정된다.

그다음 표면처리가 돼야 하는 부분을 제외하고 UV 조사를 통해 잉크를 경화시킨다. 마지막으로, 현상액 처리를 통해 미경화된 잉크를 제거하고, 열과 UV를 이용해 잉크를 완전히 경화시켜 마무리한다.

1⋅2⋅4 공장을 둘러보며 눈에 띄었던 점 중 하나는 공정 대부분이 자동화, 인력 쓰임을 최소화했다는 것이다. 공정 환경에 이상이 없는지 관리하는 '모니터링' 관리자 정도만 상시로 배치, 대부분의 시스템은 자동화돼 있다. 온도나 습도 이물질 관리가 무엇보다 중요한 만큼, 이에 대한 모니터링을 더욱 강화했다.

바로 옆에 건설 중인 5공장은 이러한 자동화 시스템을 더욱 강화할 방침이라고 전했다.
임승용 삼성전기 패키지세종제조팀 팀장(부사장)은 "삼성전기는 제품생산에 관한 프로세스를 유기적으로 통합한 MES (생산관리시스템) 3.0을 구축했고, AI 통합플랫폼을 활용해 제품 개발, 제조, 물류 등 고객에게 제품이 납품되는 전 과정에 AI를 적용할 방침이다"라며 "또한, 5G 특화망을 도입해 공장 내부의 데이터 전송 속도와 신뢰성을 높힐 방침이댜"라고 소개했다.

현재 5공장의 공정률은 약 57% 수준으로, 건물의 골조는 완성된 상태다. 내년 상반기에 완공되면 본격적으로 차세대 패키지판을 생산할 예정이다.